Dettagli del sistema periodico

Data pubblicazione: Sep 15, 2011 11:20:6 AM

Se osserviamo una qualunque tavola periodica degli elementi:

tratta da http://www.learner.org/interactives/periodic/

vediamo che le righe o periodi contengono 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32 elementi, mentre sappiamo che gli strati concentrici di elettroni contengono questi numeri di elettroni:

1° strato: 2 = 2

2° strato: 8 = 2 + 6

3° strato: 18 = 2 + 6 + 10

4° strato: 32 = 2 + 6 + 10 + 14

5°... Quanti saranno quelli del 5° strato?

Per vedere i 32 elementi, dal Cs (55) al Rn (86), dobbiamo andare sotto al blocco f, saltando dal Ba (56) al La (57), proseguire per 14 elementi sullo stesso blocco f fino al Lu (71) e quindi risalire al sesto periodo che si completerà andando dal Hf (72) al Rn (86). Alcune tavole periodiche (pieghevoli perché molto lunghe) inseriscono il blocco f tra i blocchi s (primi due gruppi a sinistra e il blocco d (parte centrale):

tratto da http://allperiodictables.com/aptpages/gridlink/grid04_groups.htm

Il motivo per cui i posti disponibili per gli elettroni negli strati non coincidono con le lunghezze dei periodi (a parte per i primi due) è che in tali strati ci sono dei sottostrati ad energia più alta, che vengono riempiti in "ritardo":

il sottostrato 3d, che ospita 10 elettroni, si trova nel 3° strato, ma viene riempito durante il 4° periodo;

il sottostrato 4d, che ospita 10 elettroni, si trova nel 4° strato, ma viene riempito durante il 5° periodo;

ecc. ecc. per i sottostrati 5d e 6d

i sottostrati 4f e 5f ospitano invece 14 elettroni ciascuno e sono riempiti con due periodi di ritardo, rispettivamente nel 6° e nel 7° periodo (blocco viola).

Nel 5° strato dell'atomo ci sarebbe anche il sottolivello 5g, ma questo ha un energia talmente più alta che dovrebbe riempirsi nell'8° periodo, per il quale non è noto nessun elemento chimico. L'atomo artificiale più grande finora costruito (anno 2006), in appena tre esemplari sopravvissuti per circa un millesimo di secondo, è il n° 118, che chiude il 7° periodo.

Una visualizzazione degli strati e dei sottostrati potrebbe essere la seguente:

Gli elettroni, però, non riempono questi sottolivelli nell'ordine dall'interno verso l'esterno dell'atomo, ma nell'ordine seguente delle energie crescenti:

1s² | 2s² 2p⁶ | 3s² 3p⁶ | 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ | 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ | 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁶ | 7s² 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7p⁶|.

1°p. 2° per. 3° per. 4° periodo 5° periodo 6° periodo 7° periodo

Gli elettroni sono sistemati prima nei sottolivelli a minore energia, cioè dove la forza di attrazione è maggiore, e questi sottolivelli non sempre corrispondono ad una minore distanza dal nucleo. Nei livelli 3d, ad esempio, gli elettroni sono meno attratti degli elettroni 4s, per cui il diciannovesimo elettrone del potassio e il 20° del calcio vanno nei sottolivelli 4s mentre i 3d sono ancora vuoti. I 3d vengono riempiti dopo del calcio, con i 10 elementi dallo scandio (Sc, 21) allo zinco (Zn, 30).

Ciò significa che gli elettroni più esterni di tutti gli elementi dallo Scandio allo Zinco sono sempre due (quelli del sottolivello 4s), in quanto i dieci elettroni 3d aggiunti di seguito vanno tutti nel penultimo strato, interno.

Come vedremo più avanti il fatto che gli elettroni 3d hanno un'energia più alta dei 3s e dei 3p e vicina a quella del livello 4s, dipende dalla diversa forma della zona di spazio in cui essi si muovono. Per lo stesso motivo gli orbitali f del 4° strato hanno un livello di energia che corrisponde al 6° strato. Diciamo quindi che gli elettroni d si legano in ritardo di un periodo, mentre quelli di tipo f con un ritardo di due periodi.

La configurazione elettronica indica come sono disposti gli elettroni nei vari livelli e sottolivelli energetici, in ordine di energia crescente (non dall'interno all'esterno!)

Esempi di configurazione elettronica

Per esempio , l'arsenico (As = 33) deve avere la seguente configurazione elettronica:

As = [33p⁺ |1s² | 2s² 2p⁶ | 3s² 3p⁶ | 4s² 3d¹⁰ 4p³]

i suoi trentatré elettroni sono distribuiti in 4 livelli e sono solo 5 gli elettroni che occupano il 4° strato, o guscio di valenza.

Per ricavare la configurazione elettronica degli atomi di un elemento basta guardare la collocazione dell'elemento nella tavola periodica, e percorrere tutte le righe che lo precedono, contando le caselle da sinistra verso destra del blocco in cui si trova l'elemento.

Per esempio vediamo che l'arsenico è il terzo elemento del blocco p, e si trova sulla quarta riga, quindi avrà tre elettroni nel sottolivello 4p, come infatti abbiamo visto. Tutti i sottolivelli precedenti (a minor energia e maggior forza di legame) devono essere completi.

In altre parole la sequenza degli elementi nei periodi e nei blocchi rispecchia la sequenza delle energie dei sottolivelli, cioè l'ordine di riempimento dei sottolivelli nell'atomo, andando da quelli più fortemente legati a quelli debolmente legati.

Come si vede, i sottolivelli d sono occupati con un periodo di ritardo, mentre i sottolivelli 4f e 5f sono utilizzati con due periodi di ritardo, cioè nel 6° e 7° periodo.

Ciò fa sì che gli elementi del 4° perodo, dal potassio al rame, nonostante abbiano gli elettroni più esterni nel 4° strato, abbiano i livelli 3d interni vuoti (K e Ca) e parzialmente occupati (da Sc a Cu). Solo con lo Zn i 3d si completano e l'atomo non ha più "vuoti elettronici" all'interno.

La stessa cosa si ripete nel 5° periodo, i cui elementi da Rb a Cd, hanno sottostrati elettronici interni incompleti (i 4d) e vuoti (i 4f).